Исследование горящих угольных терриконов > Основные теории самовозгорания терриконов



страница1/7
Дата24.04.2016
Размер0.99 Mb.
ТипИсследование
  1   2   3   4   5   6   7

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЯЩИХ УГОЛЬНЫХ ТЕРРИКОНОВ

4.1. Основные теории самовозгорания терриконов

Самовозгорание - неотъемлемый этап преобразования углесодержащих горных пород при их попадании на земную поверхность и длительном хранении в окислительных условиях.





Рис. 4.1. Угольное самовоспламенение в терриконах (согласно Wessling, 2008 г.)
Тепло, выделяемое при окислении угля, приводит к его самонагреванию и возгоранию только при наличии благоприятных внешних условий [2].

Таблица 4.1

Температуры самовоспламенения угля

Объем, мл

Фракция А

Фракция Б

31

138

140

100

124

129

400

113

112

800

110

110


Самовоспламенение вызвано экзотермической реакцией между углем и кислородом и связанным выпуском тепловой энергии; если кислород достаточно поставляется, но энергия не удалена, то реакция становится самоускоряющийся, пока не происходит горение (Wessling и др., 2008 г.).

Одной из первых теорий, объяснявших явление самовозгорание угля, была пиритная (выдвинутая Ю. Либихом в 1860 г.).

В 1861 г. Гундман высказал предположение, что основной причиной явлений самоокисления и самовозгорания служит примешанный к углю пирит [15].

Некоторые исследователи (особенно в Англии и Америке) придерживаются этого взгляда и до сих пор. В частности, Парр нашел, что угли с высоким содержанием пиритной серы, действительно, обладают особенной склонностью к самовозгоранию. Грэм также приписывает решающую роль при процессе самовозгорания содержащимся в угле сернистым соединениям железа - пириту и марказиту. Вальтер, Биленберг и Гаусвальд думают найти подтверждение пиритной теории в легкой возгораемости полукокса из угля, содержавшего много сульфата железа.

Однако, многие ученые указывают, что далеко не все угли с высоким содержанием сернистого железа способны самовозгораться. В подмосквоном угольном бассейне встречаются, например, богхеды с большими включениями пирита, но не склонные к самовозгоранию на воздухе. На поверхности кусков такого богхеда через несколько месяцев появляется сульфат железа там, где был пирит, но сам уголь остается без видимых изменений [15].

Грэм выдвинул еще пиритно-фузитную теорию, согласно которой особенно опасным в отношении самовозгорания компонентом угля является фузит с содержащимся в нем мелко раздробленным пиритом. К этому мнению присоединяются А.М. Гладштейн и М. Берма. Путилин А. высказывает также компромиссный взгляд. Он признает значение пирита, но считает, что «роль пирита при самовозгорании угля, повидимому, заключается в распылении и начальном подогревании угля».

Ф. Муллерт пишет: «Резюмируя, можно сказать, что причина самовозгорания углей заключается в способности образовавшегося вне доступа воздуха органического угольного вещества поглощать из воздуха кислород, присутствие же пирита и марказита играет при этом второстепенную роль» [15].

Выясняя причины самовозгорания, необходимо в основном обратить внимание на вещества, составляющие органическую массу угля, которых нужно изучить по отношению к окислению [ ]:

а) петрографические компоненты угля;

б) химические соединения, составляющие уголь;

в) отдельные атомные группы, из которых состоят молекулы этих соединений.

В соответствии с таким подходом первичный тепловой импульс при возникновении эндогенных пожаров обусловлен окислением кислородом воздуха пирита, содержащегося в углях. Так, при увлажнении угля происходит взаимодействие пирита с водой и растворенным в ней кислородом. Окисление серы может повысить температуры 1 т угля содержащем ее 1% на 1170К.



Самовозгорание угля в терриконах является следствием химического цикла связанного с высокой концентрацией соединения серы, которая в соединении с влагой образует сернистое соединение, вступающие в окислительную реакцию с породами и включениями угля с выделением тепла.

Однако, как показали дальнейшие исследования, данный фактор также не является решающим.

Процессу самовозгорания углей способствует наличие в них серного колчедана. Серный колчедан, окисляясь, выделяет тепло и разрыхляет верхние слои кусков угля, открывая новые поверхности для окисления [16].

Тепловому самовозгоранию предшествует относительно длительный период самонагревания дисперсного твердого материала. Самовозгорание (самовоспламенение) - это возникновение горения при отсутствии источника зажигания [18].



Такой процесс осуществляется при резком возрастании скорости экзотермических реакций (например, окисления) в объеме материала, когда скорость выделения тепла больше скорости его рассеивания.

Окисление угля в очаге самовозгорания происходит по следующим реакциям, протекающим для антрацитовых углей при Т = 600-800 ° С [4 ]:
2 С + О2 = 2СО + 570,24 кДж/моль. (10)

2 СО + О2 = 2СО2 + 960,58 кДж/моль. (11)

Самовозгорание сначала происходит в зоне максимальных температур или в «горячей точке», в затем горение распространяется на соседние участки.

Обычно самовозгорание проявляется в форме тления, т.е. беспламенного горения материала при недостатке кислорода в зоне горения. При тлении в газовой фазе в зоне высоких температур не происходит образования горючей смеси из продуктов разложения материала и кислорода воздуха. Поэтому здесь и нет пламенного горения.

При достаточном количестве кислорода тление может перейти в пламенное горение (наблюдаемое обычно в поверхностных слоях материала, более интенсивно аэрируемых).

В данном случае газообразные и парообразные продукты термического разложения материала горят пламенем с излучением большого количества тепла. При этом поступающий кислород почти полностью расходуется на горение выделяющихся продуктов пиролиза над поверхностью твердого материала.

Конические и хребтовидные отвалы обычно загораются практически сразу, зачастую еще в момент отсыпки и продолжают гореть в течение 10-20 лет после ее завершения.

Самовозгорание пород терриконов угольных месторождений, представляет собой довольно сложный процесс, который обусловлен рядом генетических и внешних факторов.

С увеличением содержания летучих веществ в угле самовозгорание пород начинается быстрее - на шахтах, выдающих угли марок К, Г, ПЖ, все терриконы горят, а на шахтах энергетических углей встречаются и негорящие терриконы.

С другой стороны, можно считать вполне установленным отсутствие закономерности между сроками начала работ и временем самовозгорания пород в терриконах. По данным К. Воронова самовозгорание проявляется в течение первых 5 лет - у 53%, от 5 до 10 лет - 15% и более 10 лет - у 22% всех имеющихся в Кузбассе терриконов [45].

Уголь, содержащийся в терриконах Кузбасса,- главным образом типа каменного с преобладанием матовых ингредиентов (фюзена и дюрена), часто близких к графитам.

Имеется много факторов, когда при разработке одних и тех же пластов угля самовозгорание начинается через разные сроки. Пустые шахтные породы, поступающие на террикон, часто содержат много угля, на отдельных шахтах от 30 до 45%.



Критическая температура самовозгорания для бурых углей составляет 100-109 °С [1].

Вследствие того, что выделение тепла - результат углеродистой реакции окисления, основные параметры, которые влияют на самовоспламенение, могут попасть в три группы (Lohrer и др., 2005 г.):

a. свойства материала: пористость, размер частицы (Таб.1-2), содержание воды, нагреваемость, плотность, определенную теплоемкость и коэффициент распространения материала;

b. окружение особенностей депозита: кислородная часть объема, конвекция воздуха, относительной влажности;

c. объем.

Различные генетические факторы определяют дальнейшую реакционную способность заскладированной в терриконы углесодержащей горной массы. К таким факторам, по А.Т. Айруни (1968), относятся вещественный состав складируемых пород, степень восстановленности углистых компонентов и наличие веществ, тормозящих или ускоряющих возможные реакции окисления.

Под вещественным составом в данном случае понимается содержание в массиве терриконов обломков угля, углистых пород или сернистых соединений железа, а также литологический состав углевмещающих пород.

К настоящему времени были выделены основные факторы, влияющие на этот процесс: петрографический и химический состав угля, степень его метаморфизма, условия коренного залегания (трещиноватость, крутое падение пластов, газовая аэрация) или условия промышленного хранения (для отвалов и товарной продукции), различные фракции угля (для отвалов и складов). Дополнительное влияние оказывают климатические условия и внешние источники тепла.

Известно, что уголь и углесодержащие горные породы обладают способностью сорбировать кислород из воздуха. Развивающиеся при этом окислительные процессы приводят либо к самовозгоранию, либо к выветриванию угля [14].

Свежедобытый уголь по выдаче его из шахты на дневную поверхность начинает адсорбировать кислород, который вслед за этим вступает в химическое взаимодействие с горючим веществом угля, образуя нестойкие пероксидные соединения. В дальнейшем они еще больше окисляют уголь, превращая его в богатые кислородом стойкие соединения (Гапеев, 1949; Кольцов, Попов, 1978; Миронов, 1982).

Как адсорбция кислорода, так и его химическое воздействие на вещество угля сопровождается выделением тепла. Рост температуры еще более интенсифицирует процессы окисления, что, в свою очередь, приводит к еще большему повышению температуры. Если выделяющееся тепло не рассеивается с достаточной быстротой, то температура достигает величины, необходимой для самовозгорания (Т = 80-140 °С) угля.

При этом разные угли подвержены самовозгоранию в разной степени.

Литологические особенности углевмещающих пород, хранящихся в отвалах (такие как повышенная пористость и низкая степень устойчивости к выветриванию), стимулируют самовозгорание за счет доступа (как атмосферного, так и растворенного в воде) кислорода в глубь массива террикона.

А также, в отвалы попадают технический мусор, древесина, отходы деятельности шахты, что тоже усиливает процесс горения.



Топливом, поддерживающим горение отвальной массы в терриконах является:

• кусковой уголь;

• угольная мелочь и пыль;

• углистый и битуминозный материал аргиллитов;

• пирит;

• технический мусор.

Помимо этого, способность отвальных пород к самовозгоранию тесно связана со степенью метаморфизма углей. Было доказано (Меркулов, 1962), что с увеличением степени метаморфизма способность углей к самовозгоранию снижается, что связано уменьшением в них количества летучих компонентов.

В работе было установлено [32], что процесс самонагревания инициируется биохимическим окислением, в котором участвуют микроорганизмы [29].

Еще одной причиной самовозгорания являются происходящие с выделением тепла реакции окисления включений сульфидов железа в глинистых сланцах и аргиллитах, а также жизнедеятельность постоянно присутствующих в зоне гипергенеза бактерий Thiobacillus ferrooxidaus. Эти бактерии вызывают деструкцию сульфидов (особенно пирита). Выделяющееся тепло приводит к нагреванию углесодержащих пород и самовоспламенению образующегося сероводорода, паров серы и метана [1].

К внешним факторам, обусловливающим самовозгорание углесодержащих минеральных масс, относятся размеры и форма терриконов.

В частности, по результатам исследований, проведенных учеными МакНИИ, ВостИИИ, ШахтНИУИ и ПермьНИУИ, степень подверженности терриконов горению тесно коррелируется с их высотой, т.е. она возрастает с увеличением высоты отвалов.

Кроме этого, многочисленные наблюдения показали, что одним из опаснейших периодов является весна - время таяния снега, на которое приходится наибольшее количество случаев самовозгорания терриконов. Выпадение дождя или снега также существенно интенсифицирует этот процесс (Галеев, 1949).

Важным представляется и плотность тела террикона. Активность процесса самовозгорания зависит от притока кислорода воздуха в штабеля. На величину притока кислорода воздуха влияет плотность штабеля и степень его уплотнения откосов [16].

В частности, самовозгорание любых углей особенно интенсивно протекает в местах складирования разрыхленного материала - штабелях готовой продукции, складах и отвалах (терриконах).

С началом горения в терриконе создается сложная гидравлическая система с противотоками воздуха и дымовых газов, но горение всегда начинается с нижних слоев.

Примером этого является террикон, горные породы в который попадали непосредственно с ленты транспортера и в дальнейшем не уплотнялись. Поэтому терриконы данного класса имеют высокую пористость, достигающую 30 %.

Именно этот фактор при прочих равных условиях (наличие значительных количеств горючего материала, способность к самовозгоранию и т.п.) обеспечивает активную газовую продувку практически всего объема террикона, что с неизбежностью приводит к масштабным и длительным процессам горения.

Под воздействием ветра очаги возгорания быстро увеличиваются и усиливаются.

В настоящее время достаточно детально исследован механизм самовозгорания породной массы. Часть исследователей [32-34] считают, что единственной причиной самовозгорания угля является взаимодействие его с кислородом атмосферного воздуха. Однако в работе [12] приводится высказывание одного из специалистов Либиха, касающееся того, что самовозгорание каменных углей обуславливается содержанием в них сернистого железа в тонкораспыленном виде, а присутствие воды и воздуха является ближайшим условием самовозгорания.

Исследования российских и зарубежных ученых показывают, что в настоящее время общепризнанной теории объясняющей процессы самовозгорания угля пока не существует, но все большее число исследователей отдают предпочтение теории комплекса «уголь - кислород», где увязываются процессы генерации, отвода тепла и самовозгорания.

Трудности в развитии этой теории состоят в недостатке данных о факторах опасности самовозгорания, которые не позволяют, в частности, решить уравнение теплового баланса. Об этом же свидетельствует анализ причин возникновения эндогенных пожаров, обусловленных несовершенством методов прогноза и превентивных мер эндогенной пожароопасности [3].

В соответствии с тепловой теорией самовозгорания угля, критическая температура не является константой и зависит как от вещественного состава угля, так и от условий формирования очага возгорания (определяемые его формой и параметрами, а также – притоком воздуха и характеристикой теплообмена с окружающей средой). Так, критическая температура самонагревания колеблется от 4030К для бурых углей до 4530К для каменных углей, а для антрацитов она превышает 5730К.

После достижения в очаге температуры самовозгорания (на 130-1500К превышающей температуру самонагревания) наступает стадия горения. Интенсивность тепловыделения при этом определяется химической активностью угля, а вот накопление температуры и разогрев угля – от характера темплообмена.

В настоящее время были выделены следующие типы горения [ ]:

• открытое горение;

• горение хорошо аэрируемых близ поверхностных частей отвальной массы;

• глубинное горение (тление);

• горение газов внутри отвалов;

• горение асфальтобетонных кор на поверхности вершинной части отвала.

В настоящее время существует несколько теорий самовозгорания угля и углесодержащих пород.

Была предпринята попытка объяснить аномально высокую склонность антрацитов к самовозгоранию с позиции комбинированного сульфидно-флюидогенного механизма окисления органического вещества.

Для реализации этого механизма необходимо выполнение следующих условий [4]:



  1. Преобладающее содержание в угле шаровидных форм дисульфидов железа радиально-лучистого строения, окисление которых сопровождается максимальным экзотермическим эффектом по сравнению с сульфидами других морфологических типов (Кизильштейн и др., 1978);

  2. Присутствие в породном отвале угля и углевмещающих пород из локальных зон флюидогенно-тектонической нарушенности с эффектами декриптации в интервале температур 160-240 °С, обусловленными взрывообразным выделением углеводородсодержащей флюидной фазы (Труфанов и др., 1996 г.);

  3. Наличие на декриптограммах эффектов высокотемпературной эмиссии флюидогенной фазы, высвобождающейся из терригенных минеральных компонентов вблизи зоны пиропластического состояния, соответствующей по своим параметрам температуре воспламенения антрацита (800-850 °С).

При последовательной реализации отмеченных особенностей, процесс окисления угля будет носить лавинообразный характер и приведет, в конечном итоге, к полному выгоранию органического вещества в отвале с образованием высокотемпературных «горельников» - экзоглиежей.

Существование очага пожара обеспечивает концентрическую зональность температурного поля с перепадом температур от максимальных (более 1300 °С) в ядре очага горения до 100-200 °С во внешних зонах.

Существуют еще теории самовозгорания - фенольная и уголь - кислородных комплексов [2].

Все эти теории сводят процесс горения к реакции взаимодействия углерода с кислородом, которая при полном сгорании до углекислоты протекает с экзотермическим эффектом 405,46 Дж/моль.

Даже, несмотря на различные объяснения причин появления теплового импульса, эти теории объединяет акцентирование на преимущественно химических аспектах реагирования кислорода с углем и имеющимся в нем примесях (пирите и т.д.).

Из составных частей ископаемых углей легче окисляются гуминовые вещества, от гуминовых кислот до остаточных углей гумусового происхождения, построенных, вероятно, сходно с гуминовыми кислотами.

Легко окисляются также некоторые битумы, но как раз те, которые по своим свойствам похожи на гуминовые вещества, например, извлекаются основным реагентом пиридином и не растворяются в нейтральном хлороформе, т.е. обладают кислым характером.

Гуминовые кислоты имеют в своих молекулах довольно много фенольных гидроксилов, которые, по-видимому, сохраняются в основном и при превращении в более сложные продукты. Фенольных групп, во всяком случае, заметно больше, чем непредельных.

Из всех достаточно изученных органических соединений легче всего окисляются как перманганатом калия, так, насколько можно пока видеть, и свободным кислородом, фенолы.

Некоторое влияние на понижение температуры саморазогрева оказывает степень измельченности угля. Чем сильнее уголь измельчен, тем большую поверхность окисления он имеет.

На процесс самовозгорания оказывает влияние и величина влажности угля. В этом случае влага выполняет роль катализатора, ускоряя химические процессы, а также приводит к растрескиванию угля и образованию микротрещин. Увеличивается активная поверхность угля и растет поглощение им кислорода. Влага смывает с поверхности угля образуемые окисленные пленки.

Кроме этого скорость самовозгорания угля в насыпных массивах зависит от температуры окружающей среды: с повышением температуры процессы окисления становятся более интенсивными, а теплоотдача в окружающую среду уменьшается.

Роль органических микрокомпонентов в процессе самовозгорания углей вызывает до настоящего времени наиболее противоречивые суждения у исследователей: от абсолютного игнорирования до выдвижения этого фактора в качестве одного из важнейших [17].

Печук И.М. и Маевская В.М. при исследовании связи склонности углей Донецкого бассейна к самовозгоранию с их петрографическим составом установили, что петрографические микрокомпоненты неодинаково поглощают кислород [3].

Как видно из графиков (рис. 4.2) фюзинит при температуре до 100 °С больше поглощает кислорода и выделяет CO и CO2, чем витринит, а с повышением температуры свыше 100 °С способность фюзинита поглощать кислород становится меньше, чем у витринита.
11_5_081

Рис.4.2. Зависимость скорости сорбции кислорода от содержания витринита в углях Донецкого бассейна [17]:

а - пласт Кураховский; б – пласт Александровский; 1 - витринит; 2 – фюзинит
Эти ученые выдвинули предположение, что фюзинит увеличивает проницаемость угля и, соответственно, скорость окисления только тогда, когда он образует скопления.

Если же он погружен в витренизированное вещество, то его присутствие не ускоряет сорбцию кислорода даже у матовых углей.

Было установлено, что вокруг скоплений фюзинита происходит интенсивное окисление витринита: он становится трещиноватым и стенки трещин приобретают окисленный «бордюр» пониженного рельефа и пониженные отражательные способности. Поэтому содержание в угле фюзинита не может служить показателем его химической активности и склонности к самовозгоранию [3].

Штах Э., Маковски М.Т. и др. придерживаются иного мнения: «витринит независимо от степени метаморфизма всегда наиболее восприимчив к самопроизвольному возгоранию» [4].

Подтверждением этой мысли явились исследования петрографического состава углей различной стадии метаморфизма Еремина И.В. и др. [1], которые показали, что с увеличением содержания микрокомпонентов группы фюзинита и уменьшением содержания витринита склонность угля к самовозгоранию повышается.

Микрокомпоненты группы фюзинита дают импульс развитию процесса самовозгорания угля. С другой стороны, микрокомпоненты групп фюзинита и лейптинита более устойчивы к окислению, чем витринит.

В дальнейшем было установлено, что химическая активность угля увеличивают только крупные включения фюзинита [2]. Мелкие же его включения (микринит), погруженные в основную витренизированную массу угля, незначительно влияют на скорость сорбции кислорода.

Причем, при изучении аншлифов угля под микроскопом было обнаружено, что в месте включений фюзинита в витринит происходит его интенсивное окисление и в нем, по мере окисления угля, образуется сеть микротрещин.

Таким образом, было доказано, что фюзинит увеличивает химическую активность угля вследствие того, что делает его более пористым и тем самым создает пути для проникновения кислорода внутрь угольного массива. На этом основании Крикунов Г.Н. предложил петрографический метод для оценки химической активности углей, состоящей в подсчете в аншлифе суммарного количества фюзинизированных компонентов для углей Карагандинского бассейна [2].

Исследования самовозгорания углей в Подмосковном бассейне подтвердили тезис о главной роли фюзинита как инициатора самовозгорания. Особенностью подмосковных углей является довольно низкое содержание в них микрокомпонентов группы гуминита и сравнительно высокое – группы фюзинита.

В частности, угли, содержащие 80-90 % гуминита, менее всего распространены. Они слагают тонкие прослои от 0,05 до 0,15 м и составляют от 1 до 5 % от общего количества различных типов углей, слагающих данный пласт. Широкое распространение в этом бассейне имеют угли с содержанием гуминита от 45 до 60%. Их разновидности встречаются на всех месторождениях и достигают 25-30% общей мощности пласта. Они залегают во всех горизонтах в виде слоев мощностью 0,1-0,3 м. Содержание фюзинита в этих углях колеблется от 12 до 21% [17].

Основная геоэкологическая опасность терриконов обусловлена процессами горения углесодержащей породной массы.





Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал